论文：人工鱼礁生物附着性测试方法

人工鱼礁生物附着性测试方法

罗鑫昊，桑梓涵，冯业城，高华

（山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

随着海洋生态环境的不断恶化，天然鱼礁已然不能满足生态需求。为促进资源恢复，改善海洋生态环境，人工鱼礁应运而生。人工鱼礁作为未来海洋牧场建设的重要设施，为各类海洋生物提供了附着地及生存空间。目前，用于人工鱼礁的材料种类众多，且不同材料的人工鱼礁对渔业增殖效果影响不同。随着人类对海洋环境保护意识的逐步增强，人工鱼礁能否改善海洋生物栖息环境成为研究的热点。

鱼礁的生物附着量、集鱼、诱鱼效果直接反映了其生物附着性，其附着生物的种类、组成及数量变化直接影响着礁区的生态效应，因此生物附着性可作为人工鱼礁效果评价的重要衡量指标。现有的人工鱼礁生物附着性的分析方法众多，且每种方法分析的路径、用途各不相同。现简述了直接分析法与模糊评价法，以期为评价人工鱼礁的应用效果提供技术参考。

1 直接分析法

1.1 挂板检测法

挂板检测法是将待检材料制作成挂板，作为反映生物附着性的载体，以开展生物附着性测试。文献[4-6]的相关试验表明，挂板检测法原理简单，评价方法直接，在测试上有显著优势，因而得到广泛应用。

1.1.1 采样方法

挂板检测时，对挂板的大小、尺寸无特殊要求，对投放位置和投放时间有一定的要求。林和山等对东山湾污损生物的调查结果表明，挂板投放时间长短将对其生物附着性产生很大影响；王震等对青岛石雀滩海域生物群落结构影响的研究表明，板件的摆放位置对生物附着性会产生影响。因此，采用挂板检测，需要严格控制投放时间和投放位置。

目前常用的挂板检测法是将人工鱼礁试件用缆绳悬挂后，根据当地气候条件与海洋环境将其沉降至海水中最佳吊挂深度，在设定的时间内将板件捞出。根据《海洋调查规范 第6 部分：海洋生物调查》（GB/T 12763.6—2007），在每块试体上随机取样5组，每组用刻度尺量定2 cm×2 cm 的方格，用小刀将各组附着生物取下装瓶，用质量分数为5%中性甲醛溶液固定后密封、标记，送实验室鉴别其生物种类。将藻类生物样品放置烘箱内于80 ℃的温度下烘干，称质量；将浮游动物样品用分样器分样，直到计数样品中浮游动物的数量达到 300～500 个为止。

1.1.2 数据分析

对于礁区生物附着性的测试结果，文献[8-10]在研究物种多样性的基础上，采用了Shannon-Wiener 多样性指数（H'）、Pielous 均匀度指数（J）及优势种优势度指数（Y）等，对生物附着性能进行分析，通过SPSS16.0、Primer 6.0 等软件完成对礁区生物附着性的评估。公式如下：

上式中：S——样品种类数，种；p——第i 种的个数与样品总个数的比值；f——第i 种在各样品中出现的频率；n/N——第i 种的个数与样品总个数的比值。

1.2 捕捞检测法

捕捞检测法是利用浮游生物采集网、刺网、底质取样器3 种设备，实现针对浮游生物、鱼类、大型底栖生物样本的收集及鉴定，可更加精确地反映了礁区的真实情况。袁小楠等利用浅水型浮游生物网对威海近岸礁区生物资源恢复效果进行了研究；梁君等利用三重刺网对中街山列岛礁区鱼类资源及群落多样性季节变化进行了研究；高爱根等利用采泥器对象山港养殖区与非养殖区底栖生物生态环境进行了研究。

（1）浮游生物采集网。检测时，先在礁区中选取站点，在站点周围，可将网缚于船上以慢速拖拽10～20 min 将网提起；也可按照戴媛媛的测试方法，自海底至海面垂直将网提起。待水滤去，打开网头，将采集物倒入贴有标签的样品瓶中，用质量分数为5%的甲醛溶液固定保存，带回实验室鉴定分析。

（2）刺网。检测时，先在礁区中选取站点，在站点周围每次放置1 张网，通过调整浮子，使刺网底纲距离海底0.5 m。放置24 h 后提起渔网，对所获样品现场分类、计数，将渔获物低温冷冻保存，带回实验室分析鉴定。

（3）底质取样器。常见的取样器主要有箱式、抓斗式、拖网3 种。①箱式取样器：靠重锤重力使采样筒插入海底沉积物中，闭合铲转动切取底部沉积物进入采样筒后提起；②抓斗式采泥器：将采泥器探入海底，用力提拉采样抓斗，使抓斗自动关闭，将底部污泥采入采样抓斗后提起；③拖网：利用船舶前进拖拽拖网，迫使拖网经过水域中的鱼虾蟹等捕捞对象进入网囊，10～20 min 后提起。现场对所获样品分类、计数，数量＜50 尾的物种全部取样；若单一物种数量＞50 尾，根据渔获物大小和组成特点按比例随机取样。所有样品均低温冷冻保存，带回实验室分类鉴定。

1.3 声学探测法

声学探测法是利用声学探测技术，对海洋物理参数进行测量和分析。经过多年快速发展，声学探测仪器种类越来越多。Asada 等利用Simrad EY60 科学鱼探仪对大亚湾人工礁区的渔业资源数量进行了跟踪调查；徐毅等利用Simrad EY60科学鱼探仪对柘林湾和南澳岛海洋牧场的渔业资源开展了调查；沈蔚等详细论述了C3D 侧扫声呐在人工鱼礁观测中的应用。综上所述，声学探测法减少了对环境的干扰，在不惊扰生物群落的情况下，监测生物附着情况，确保了数据的准确性。由于探测成本高和水下探测仪技术条件的限制，目前国内基于声学技术展开人工鱼礁附着性的研究还很少。

1.3.1 探测方法

由于声学检测方法成本高，不确定因素多，检测前，务必进行现场勘察，设计合理的测量路线，才能保证数据采集顺利完成。除外，探测仪器还需严格按照相关声学调查规范要求进行校正。在完成准备工作后，通过支架将换能器固定于船舷一侧，调试设备选择走航式或者固定式的检测方法开展检测。（1）走航式探测。以缓慢均匀的速度沿设计路线航行，通过仪器快速获取探测海域内声学光谱和影像，从空间分布上评价礁区的生物附着情况。（2）固定式探测。选取多站点进行长时间的垂直探测，从时间角度上实现生物的定点探测，探测后，通过仪器自带探测系统进行分析，完成测量，获取高分辨率海底声学光谱和影像，通过多站位比对，完成对生物附着性的评定。

1.3.2 数据分析

对于声学探测后的数据分析，潘文杰等利用Echoview9 软件结合回声积分法完成原始数据向鱼类资源量的转换；郭栋等利用Aris-1800 双频声纳观测人工鱼礁的过程中生成的图像，结合二值化法对鱼类的声学图像进行处理；刘敏等采用 sonarwiz 软件分析、MATALAB 去噪、canny 软件边缘测算和discover 软件对数据进行处理。

2 模糊综合评价法

模糊综合评价法是一种综合主观、客观信息的间接评价方法，常被应用于评价多因素作用的模型。人工鱼礁处于一个开放的鱼礁生态系统，其不断和周围海区进行着物质和能量的交换，礁区的环境理化因子和生物因子也在内力和外力的共同作用下不断变化。因此，可通过建立模糊综合评价模型，综合分析人工鱼礁的生物附着性。

2.1 评价指标

根据国内外对海洋生态系统健康的相关研究，结合人工鱼礁生态系统的结构特征，可选择pH 值、溶出物（活性磷酸盐、溶解氧、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、硅酸盐）等多个指标进行分析。

2.1.1 pH 值与试验方法

pH 值是衡量海洋环境的重要参数。Bronson 等发现人工鱼礁pH 值与生物附着有关；冯业城等研究表明，pH 值间接反映了混凝土材质的人工鱼礁生物附着性能的优劣。

为还原海洋环境，需按照《海水水质标准》（GB 3097—1997）要求配制人工海水，并制作人工鱼礁试块。考虑到人工鱼礁的流场效应，可根据文献[24]采用动水浸泡与静水浸泡的方法。静水时，将试块分别浸没在去离子水和人工海水2 组预置的模具中，每隔24 h 对浸出液取样装瓶；动水时，通过在模具上预留孔，每隔24 h 换水1 次，收集换出水取样装瓶。在完成上述操作后，将上述4 瓶样液根据《海水碱度的测定》（HY/T 178—2014）测定其pH 值。

2.1.2 溶出物与试验方法

人工鱼礁溶出的营养盐参与了海洋环境的循环，影响着藻类与浮游植物的生长发育，其分布特征直接影响了海洋的生物资源。因此，可以根据人工鱼礁投入使用后海水中溶出物指标的变化，评价其生物附着性。检测时，为还原海洋环境，需按照规范配制人工海水，并制作人工鱼礁试块。将试块投放在人工海水中，盛取等量的人工海水留作空白样。每隔相同时间多次取样，将样品带回实验室，按照《海洋监测规范 第4 部分 海水化学要素调查》（GB/T 12763.4—2007）中相关方法检测，见表1。

表1 溶出物检测方法

2.2 指标权重赋值

因生物附着性的综合评价方法包含有多个指标，且各指标的重要性存在差异，因此需要确定所有评价指标的权重，才能作出准确判断。为将各指标形成统一的度量标准，参考文献[22]的层次分析法，对各项指标进行赋权，通过建立逆向指标、正向指标和适度指标，实现指标间的可操作运算，采用阈值法对指标进行归一化处理，计算公式如下。

式中：x——单项指标的实测值；X——单项指标的最大值；x——单项指标的最小值；a、b——指标最佳范围阈值；k——隶属度函数指数（其中pH值、无机氮和活性磷酸盐隶属度函数k 值为1，其他指标隶属度函数的k 值由其对应的分指数计算）。根据所选评价指标的性质，按照3 个公式对其进行分类和标准化计算。评价指标归一化函数与标准见表2。

表2 评价指标归一化函数与标准

续表

2.3 综合评价

根据各项指标归一化值及其对应的权重，利用模糊综合评价法建立生物附着性综合健康指数模型，得到公式如下：

式中：EHI——生态系统综合健康指数；W——第i个指标的权重；EHI——第i 个指标的分指数，综合健康指数EHI 的分布范围为[0，1]。综合健康指数对应的生物附着状况见表3。

表3 生态系统综合健康指数变化

3 对比分析

直接分析法与模糊评价法，分别从直接和间接的角度对生物附着性进行测试。直接分析法评价思路清晰，结果直观明了；模糊评价法操作简便，分析全面。但直接分析法的挂板检测法，由于挂板在礁区，只能处于悬浮状态，可能导致海底浮游生物类群无法附着而降低试验结果的准确性；捕捞检测法由于检测范围广，取样随机性强，可能使检测结果产生误差；声学检测法由于探测声呐分辨力有限，目标密集时可能导致测量效果不佳。模糊评价法中由于评价时指标选用主观性强，相对隶属度权系数偏小，使权矢量与模糊矩阵不匹配，可能出现超模糊现象，导致分析结果不准确。

为保证检测结果准确，实际检测时，可将各种检测方法搭配使用。采用挂板检测法时，可搭配采泥器捕捞检测辅助测量，解决海底浮游生物难以检测的问题；采用捕捞检测法时，可搭配声学探测法，辅助观测海底动态状况，选取最优测点，避免随机性强的问题；采用声学探测法时可搭配捕捞检测法或仿真模拟试验，对其测试结果进行复验和鉴定，避免探测声呐分辨力有限、目标密集等问题；采用模糊综合评价法时，可搭配直接评价法开展佐证试验，使评价结果更加全面和客观。